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巨大バイナリブラックホールの X 線探査

磯部直樹 ( 理化学研究所 ). 巨大バイナリブラックホールの X 線探査. 巨大バイナリブラックホール (BH) を攻める ( 個人的 ) 動機. 恒星質量 BH( M < 10 M ◎ ). 巨大 BH( M = 10 6 – 10 9 M ◎ ). 中質量 BH( 候補 ?) (ULX を含む ) ( M = 数 10 – 1000 M ◎ ). 合体 ( Ebisuzaki et al. 2001). 合体 ( Ebisuzaki et al. 2001). 中質量 BH. M82 の X 線画像.

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巨大バイナリブラックホールの X 線探査

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Presentation Transcript

  1. 磯部直樹 (理化学研究所) 巨大バイナリブラックホールのX線探査 巨大ブラックホール天文学

  2. 巨大バイナリブラックホール(BH)を攻める(個人的)動機巨大バイナリブラックホール(BH)を攻める(個人的)動機 恒星質量BH(M < 10 M◎) 巨大BH(M = 106 – 109M◎) 中質量BH(候補 ?) (ULXを含む) (M = 数10 – 1000 M◎) 合体 (Ebisuzaki et al. 2001) 合体 (Ebisuzaki et al. 2001) 中質量BH M82のX線画像 合体の過程で、必ず(巨大)バイナリBHになる 巨大ブラックホール天文学

  3. 巨大バイナリBHの観測的証拠 • 画像によるもの • 二つの compact core をもつ AGN (eg, NGC6240; Komossa et al, 2003) • 2本のJetを持つAGN (eg, 3C 75; Owen et al, 1985) • X-Shaped Radio Galaxies (eg, 3C 315; Merritt & Ekers 2002) • 運動を検出するもの • Jet core の 軌道運動 (eg, 3C 66B; Sudou et al. 2003) • Jetの歳差運動 • スペクトルのよるのも • Double-peaked broad emission line • 光度曲線によるもの • 周期的な光度変動 (eg, OJ 287; Sillanpaa et al 1988) 巨大ブラックホール天文学

  4. 最有力候補 OJ 287 過去100年にわたるOJ 287 の 可視光光度曲線(Vバンド) 1994-1997年の活動期の OJ 287の可視光光度曲線(Vバンド) 1900 2000 12年周期 1stフレア 2ndフレア (Valtonen et al. 2006) (Sillanpaa et al. 1996) 2005-2008年に活動期なると予言 多波長キャンペーン実行中 巨大ブラックホール天文学

  5. 歳差バイナリ BH 説 (Sillanpaa et al. 1988, Valtonen 2007) 周期12年 離心率 0.66 歳差 39°/orbit 視線方向 M2 = 1.0 x 108 M◎ ジェット 2007年 降着円盤 M1 = 1.8 x 1010 M◎ 2005年フレア 相対論的な 歳差と重力波放出の検証 が出来たと主張している(Valtonen et al. 2008) 巨大ブラックホール天文学

  6. 対抗仮説: disk-jet connection ? 歳差バイナリBH説では、 可視光以外のふるまいを説明できない • 1stフレア • secondary BHがprimary BHの降着円盤を通過 • 降着円盤で熱的なフレア • 2ndフレア • 1stフレアに伴う降着率の変化でジェットが噴出 • ジェットによる非熱的なフレア (Valtaoja et al. 2000) 1stフレア 2ndフレア 可視光 電波 偏光度 偏光角 活動期間 増光 増光なし 減少 変化なし 数か月 増光 増光 増加 変化 半年 必ずしも 増光しない (Idesawa et al. 1997) 観測なし X線 多波長スペクトル(特にX線, γ線)で区別できるはず 巨大ブラックホール天文学

  7. OJ 287の2ndフレアの多波長同時観測 • 中西 康一郎, 濤崎 智佳 (国立天文台), 河野 孝太郎, 島尻 芳人, 福原 将之(東京大学) • 笹田 真人、植村 誠、新井 彰 (広島大学) • 磯部 直樹 (理研), 瀬田 裕美, 矢治 裕一, 田代 信 (埼玉大) • 林田 将明 (SLAC), 手嶋 政廣 (Max-Plank-Institut fur Physik), 他MAGIC team 電波可視光Ｘ線 γ線 巨大ブラックホール天文学

  8. OJ 287の2ndフレアの多波長同時観測 野辺山ミリ波干渉計(NMA) 電波(n = 86, 98 GHz) かなた望遠鏡@広島大学 可視,赤外 (J, V , Ksバンド) 「すざく」衛星 X線(hn= 0.3 – 60 keV) MAGIC望遠鏡 超高エネルギーγ線 (hn > 100 GeV) 瀬田(埼玉大M2) et al. 巨大ブラックホール天文学

  9. 2007年のOJ 287の光度曲線 野辺山NMA 電波(100GH帯) かなた＠広大 可視(Vバンド) 「すざく」 X線 静穏時 (2007/4/10-12) 2ndフレア (2007/11/7-9) 巨大ブラックホール天文学

  10. 「すざく」によるX線スペクトル 2ndフレア 光子指数 G = 1.50±0.01 X線強度 S1keV = 404+6-5 nJy XIS • HXD • 12-27 keVの硬Ｘ線シグナルを検出(OJ 287では初めて) • 折れ曲がりの気配がある。 静穏時 光子指数 G = 1.65±0.02 X線強度 S1keV = 215±5 nJy 巨大ブラックホール天文学

  11. 多波長スペクトル シンクロトロン 逆コンプトン 2007年の観測 静穏期2ndフレア (過去の観測, Isobeet al. 2001) • スペクトルがシフトした気配はない。 • 各帯域で、単純に増光したように見える。 巨大ブラックホール天文学

  12. 2ndフレアの多波長スペクトルの解釈 シンクロトロン 自己コンプトンモデル • 電子スペクトル : Broken PL N(g)∝ g–p (g < gb) g–(p+1) (g > gb) 静穏時 2ndフレア ビーミングd p gmin gb gmax Ue (erg/cm3) B (G) R (cm) 10 2.3 110 800 5500 5.2x10-4 0.48 2.3x1017 10 2.0 110 800 6000 1.1x10-3 0.48 2.3x1017 都合よく解釈すると、 ジェットが噴出して電子が増えた 巨大ブラックホール天文学

  13. 1stフレアと2ndフレアの比較 過去の1stフレアの観測 (Isobe et al. 2001) 2007年の2ndフレア (This work) 2ndフレア静穏期 高エネルギーにシフト nSync∝ge2B δ 全体的に明るくなる 1stフレアと2ndフレアは、多波長スペクトルが異なる 巨大ブラックホール天文学

  14. OJ 287 2ndフレアの多波長観測のまとめ • 巨大バイナリBH候補OJ 287が2005-2007年に12年ぶりに活動期なった。 • 2007年に起きた2ndフレアおよびその直前の静穏期を、多波長同時観測した。 • 1stフレアと 2ndフレアは、スペクトルの振る舞いが違う • 本当に歳差バイナリBHなのか? • 巨大バイナリBHモデルへの要請 • 周期(フレアの起こるタイミング)の予想 • 光度曲線の形 • 多波長スペクトルの解釈 • 降着円盤とジェットの関係 ?? 巨大ブラックホール天文学

  15. 全天X線監視装置 MAXI による巨大バイナリBH探査(N. Isobewith MAXI team) 私の希望 数年以内に巨大バイナリBHを 探査/発見したい (Hayasaki et al. 2008) 巨大ブラックホール天文学

  16. 巨大バイナリBHを”発見”するには? MAXIの登場 • OJ 287 のような、周期的な光度変動に注目 • 周期 : T = 0.9年 (M/107Mo) (r/1000rS)3/2 (1+q)-1/2 (Schwarzschild半径 rS = 2GM/c2, 質量比 q = m/M) • どの波長が良いか？ • これまでは、可視光・電波が主流 (eg, OJ287) • BH, AGN, 降着円盤, ジェットといえば X線観測が重要 • 多数のAGNのX線光度を監視したい • 高感度の全天X線監視が欲しい • 既存の装置(RXTE ASMなど)は、感度が不十分 巨大ブラックホール天文学

  17. 全天X線監視装置 MAXI • 国際宇宙ステーション(ISS)日本実験棟「きぼう」に搭載の全天X線観測装置 • 2009年5にスペースシャトルで打ち上げ予定 • 二つの検出器 • Gas Slit Camera (GSC) • Solid-state Slit Camera (SSC) • これまでの全天X線監視装置の感度を一桁凌ぐ。 • GSC : 1 mCrab/week • RXTE ASM : 10 mCrab • 1000を超えるX線天体のX線強度を監視できる。 ISSの進行方向 SSC GSC 巨大ブラックホール天文学

  18. MAXIの原理 スリット + コリメータ + 1次元位置検出型のX線検出器 進行方向と天頂方向に視野 ISSの進行で全天をスキャン 巨大ブラックホール天文学

  19. MAXI搭載検出器 Gas Slit Camera (GSC) Solid-state Slit Camera (GSC) SSC GSC 検出器 帯域 視野 位置分解能 感度 大面積比例計数管 2 - 30 keV 1.5 x 160 degree 0.1 degree 1 mCrab / week X線CCD(国産) 0.5 - 10 keV 1.5 x 80 degree 0.1 degree 2 mCrab / week 巨大ブラックホール天文学

  20. MAXIによる全天X線画像 巨大ブラックホール天文学

  21. MAXIによる全天X線画像 Cen A NGC 4388 3C 273 NGC 4507 Cyg X-1 Crab LMC GRS 1915+105 NGC 6814 巨大ブラックホール天文学

  22. MAXIの感度 従来の装置の感度 X線強度 (mCrab) 1軌道(90分) AGN 1日 1週間 1 mCrab = 2.2 x 10-11 erg s-1 cm2 (2 - 10 keV) OJ 287 半年 (混入限界) 距離 [光年] 詳しくは、広井ポスターを参照 巨大ブラックホール天文学

  23. MAXIは威力を発揮するか ? OJ 287 • 巨大バイナリBHの最有力候補 OJ 287 は、観測対象にはならない。 • 周期 12 年 > 運用期間 2 年 (5年?) • 暗い 0.1 – 0.5 mCrab • MAXIで探査できるパラメタ • 2周期は押さえたい ⇒ 周期 < 1 年 (2.5年 ?) • 周期 < 重力波放出による合体のタイムスケール • 多くのAGNの光度を考えると、周期 < 1週間 は無理だろう ① 109M◎ ここの領域 106M◎ ③ ② (早崎氏のMAXIチームへの講演から拝借) 巨大ブラックホール天文学

  24. MAXIは威力を発揮するか ? MAXIで得られる観測データを予想してみる。 • 必要な情報 • AGNの何割が巨大バイナリBHか ? • 巨大バイナリBHのX線光度曲線は ? • Hayasaki et al. 2008など の理論計算はある。 • 発展途上と思われる。 ⇒ とにかく観測で決めよう • OJ 287 からスケールして、MAXIによる光度曲線を計算してみる 1/50 OJ 287 OJ 287 M1/ M◎ 周期 P 活動期 増光 1.8 x 1010 12年 ～1年 5倍 3.6 x 108 90日 1週間 5倍 P ∝ Mr 3/2 (1+q)-1/2 OJ 287 の1/50程度の系なら、 MAXIで周期性が探査できる 巨大ブラックホール天文学

  25. MAXIは威力を発揮するか ? 予想X線光度曲線 1/50 OJ 287, 5 mCrab (1.1 x 10-10 erg s-1 cm2 in 2 – 10 keV) • MAXIの重要な特徴 • 感度が高い。 • 光度曲線を隙間なく測定できる。 ⇒周期性が探査できる。 • 巨大バイナリBHを発見できる可能性がある(と信じている) 3 日積分 従来の装置の感度 90日 巨大ブラックホール天文学

  26. MAXIは威力を発揮するか? • MAXIで実際に行うこと • 多数のAGNのＸ線光度を監視 • ライトカーブから周期性を探査する • どのくらいの数のAGNを、監視可能か ? 観測時間 感度 AGN数 * NGC4388 Centaurs A NGC4507 NGC 6814 (M87) 1軌道 1週間 0.5 年 20 mCrab 1 mCrab 0.2 mCrab 4 * ～50 ～1300 (Integral Reference Catalog, 広井ポスターなど) Hayasaki et al. 2008 によると、10倍の変動をする可能性も 巨大ブラックホール天文学

  27. BH研究へのMAXIの貢献 • 巨大BHの質量推定 • time scale ∝ M (Hayashidaet al. 1998) • BH transient の発見と速報 • BHの状態遷移 • QPO • ジェット天体の長期モニタ • etc. 巨大ブラックホール天文学

  28. MAXIは今… • 2008年 8月末 完成 • 2008年 9月 輸送前試験 • 2008年 10月3日 JAXA筑波から発送 • 2008年 10月23日 成田発 • 2008年 10月30日 Kennedy Space Center(KSC)到着 • 2008年 11月 KSC射場試験 • 2008年 12月 MAXI 最終組み立て • 2009年 1月9日 打ち上げ用パレットへ取り付け • 2009年 1日21日現在 打ち上げを待つ 巨大ブラックホール天文学

  29. MAXIの今後 (http://maxi.riken.jp ; 未公開) • 2009年1-5月 ソフトウェアなどの整備 • 2009年5月打ち上げ予定 　初期運用/Calibration • +3か月 データ公開開始 • 約1000天体のライトカーブ/スペクトル • 全天X線画像(1日/1週間/1か月) • +1年 on-demandデータ公開 • +2年 巨大バイナリBH発見 ? 巨大ブラックホール天文学

  30. まとめ • MAXIは、巨大バイナリBH探査に威力を発揮する可能性が高い。 • ”周期性=巨大バイナリBH”とは限らない(候補) • 多波長でのフォローアップ観測 • 巨大バイナリBHの理論との連携 • 数年のうちに、日本から巨大バイナリBHの発見を世界に発信したい。 巨大ブラックホール天文学

  31. 巨大バイナリBHの観測的証拠(1)画像によるもの巨大バイナリBHの観測的証拠(1)画像によるもの 二つの compact core X-shaped radio galaxies 二本のジェット 25 kpc 900 pc NGC 6240のＸ線画像 (Komossa et al, 2003) 電波銀河3C 75の電波画像 (Owen et al. 1985) 電波銀河3C 315の電波画像 (Leahy et al. 1986) ポスター講演 P9 巨大ブラックホール天文学

  32. 巨大バイナリBHの観測的証拠(2)運動を検出するもの巨大バイナリBHの観測的証拠(2)運動を検出するもの Jet Coreの軌道運動 ? 3C66B (Sudo et al. 2003) Jet の歳差/うねり 4C73.18 (Roos et al. 1987) ? 周期 1.05±0.05年 距離 < 0.05 pc 質量 < 5 x 1010 M◎ (ポスター講演 P) 巨大ブラックホール天文学

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